張宏偉

摘要：近年來，我國煤層氣地面瓦斯開發(fā)技術(shù)迅速發(fā)展，但是因缺乏適宜于煤礦瓦斯地面抽采的專用車載式鉆機(jī)，很大程度上造成我國煤礦瓦斯地面抽采進(jìn)展緩慢；研制國產(chǎn)地面瓦斯抽采的欠平衡車裝鉆機(jī)，提高地面瓦斯抽采孔施工效率和成孔率，降低工人勞動強(qiáng)度是十分必要的。詳細(xì)介紹了SMJ5510TZJ15/800Y地面瓦斯抽采的欠平衡車裝鉆機(jī)研制中的總體方案及主要機(jī)構(gòu)設(shè)計的思路，并介紹了鉆機(jī)試驗和推廣情況，測試結(jié)果表明各項技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽采；欠平衡車裝鉆機(jī)；鉆機(jī)車

近年來，國內(nèi)一些單位從國外進(jìn)口了一些車載式空氣鉆機(jī)。該類鉆井設(shè)備以其鉆井效率高、對煤層的傷害等優(yōu)點(diǎn)小備受青睞。但進(jìn)口鉆機(jī)過于昂貴，間接導(dǎo)致鉆井成本增高，與鉆井低成本戰(zhàn)略背道而馳，所以國內(nèi)并沒有大規(guī)模引進(jìn)國外車載鉆機(jī)。因此，盡快發(fā)展國產(chǎn)煤層氣鉆機(jī)是解決我國煤層氣開發(fā)進(jìn)程緩慢的重要因素之一。為此，國家發(fā)改委下達(dá)了一批煤礦瓦斯綜合治理與利用關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和裝備研制項目，其中“地面瓦斯抽采欠平衡車裝鉆機(jī)（以下簡稱車載鉆機(jī)）研制”委托石家莊煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司承擔(dān)，中國石油大學(xué)（北京）煤層氣研究中心參加。

1.總體方案設(shè)計

1.1鉆進(jìn)能力的確定

根據(jù)煤層滲透率與煤層埋深的關(guān)系，煤礦區(qū)瓦斯地面抽采直井的完井深度一般不超過300～1500m。為滿足井深的需求，鉆機(jī)的最大鉆深能力應(yīng)不小于1500 m。

1.2鉆進(jìn)工藝的選擇

根據(jù)地面施工煤層氣抽采孔的需要，該鉆機(jī)應(yīng)該能夠滿足壓縮空氣鉆進(jìn)（正、反循環(huán)）、泥漿鉆進(jìn)、泡沫鉆進(jìn)、水平定向鉆進(jìn)等不同工藝的要求，以提高鉆進(jìn)效率。

1.3驅(qū)動方式的確定

為滿足不同地層和不同施工條件的鉆井需要，要求該鉆機(jī)應(yīng)具備頂部驅(qū)動功能，為減小頂驅(qū)裝置的體積和重量，采用液壓頂驅(qū)方式。

1.4傳動方式的確定

目前，世界上車載鉆機(jī)普遍采用液壓傳動的方式。采用全液壓系統(tǒng)可以方便的進(jìn)行起、下鉆具，工作安全可靠，而且可以無級調(diào)速，通過油壓表隨時監(jiān)視各執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作負(fù)載的大小并及時調(diào)整，工藝適應(yīng)性較強(qiáng)。因此本鉆機(jī)也采用全液壓傳動方式，又因該鉆機(jī)大多在野外工作，電力供應(yīng)不方便，所有其動力源采用柴油發(fā)動機(jī)。

1.5移動方式的確定

為滿足煤礦瓦斯地面抽采鉆孔施工周期極短、鉆機(jī)搬遷頻繁的工況，要求地面瓦斯抽采鉆機(jī)必須采用車裝式或撬裝式，為了實現(xiàn)鉆機(jī)搬遷的快速、方便，本鉆機(jī)采用車載式結(jié)構(gòu)。

1.7整機(jī)結(jié)構(gòu)布局的確定

為了滿足鉆機(jī)移動方便，響應(yīng)快速的要求，整機(jī)采用專用汽車底盤作為整機(jī)的平臺，將整機(jī)的動力裝置、液壓系統(tǒng)、井架、頂驅(qū)裝置、電控系統(tǒng)都集中安置在汽車底盤平臺上；空壓機(jī)因體積大，散熱量高，采用外掛式。整機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。

2.主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 頂部驅(qū)動裝置

頂驅(qū)技術(shù)在國外鉆機(jī)和石油鉆井中已被推廣應(yīng)用，因其能實現(xiàn)加壓鉆進(jìn)，自動送鉆，能夠很好的完成空氣循環(huán)等欠平衡鉆進(jìn)、定向鉆進(jìn)等工藝而備受青睞。

要實現(xiàn)加壓鉆進(jìn)，滿足空氣循環(huán)等欠平衡鉆進(jìn)、定向鉆進(jìn)等要求，頂驅(qū)裝置即要承擔(dān)傳遞扭矩又要承擔(dān)傳遞拉力的任務(wù)，即同時承受著拉伸載荷和扭轉(zhuǎn)載荷，其必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。該裝置采用了多馬達(dá)聯(lián)合驅(qū)動技術(shù)和硬齒面齒輪傳動技術(shù)。即采用了三個低速大扭矩馬達(dá)并聯(lián)，再經(jīng)過齒輪減速的結(jié)構(gòu)。 為方便接管作業(yè)，該裝置在頂驅(qū)的中空中心管采用了浮動管技術(shù)，密封結(jié)構(gòu)上采用了多重V型密封圈旋轉(zhuǎn)密封技術(shù)。為滿足定向鉆孔造斜時對鉆機(jī)的鎖定鉆具的要求，頂驅(qū)裝置中還采用了盤式制動技術(shù)，設(shè)計了盤式制動器，靠油缸推動制動塊夾緊制動盤。

2.2空氣循環(huán)系統(tǒng)

瓦斯地面抽采的實踐證明，由于煤層的滲透性較差，因此鉆井液對煤層的污染也非常敏感。為提高鉆進(jìn)效率、降低鉆井成本和保護(hù)儲層，最佳的鉆井循環(huán)介質(zhì)是霧化空氣或欠平衡泥漿?？諝忏@井是欠平衡壓力鉆井的一種，其循環(huán)介質(zhì)為壓縮空氣。為實現(xiàn)這一功能，在多方論證和考察調(diào)研的基礎(chǔ)上，最終選擇了外掛空氣壓縮機(jī)的方案。外掛空氣壓縮機(jī)即簡化車載鉆機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)，減輕了主機(jī)重量，便于設(shè)備的維修與保養(yǎng)。鉆機(jī)車除外接壓縮空氣外，也可外接泥漿，分別進(jìn)行空氣和泥漿鉆進(jìn)和泡沫鉆進(jìn)。

2.3伸縮式井架

要實現(xiàn)鉆機(jī)車的靈活性和高效率，就必須采用車載自行起落井架。由于受到運(yùn)輸尺寸的限制，要很好的滿足施工即動力頭行程的要求（15米），尤其是下長套管的要求，只有采用伸縮式井架。目前國內(nèi)的伸縮式井架都為珩架式結(jié)構(gòu)，主要承受壓力，結(jié)構(gòu)比較簡單。但其無法具備動力頭的導(dǎo)向功能，而且不能承受較大的扭矩。為此，該鉆機(jī)的井架采用了箱式伸縮井架技術(shù)，即無論是固定部分，還是伸縮活動部分都采用了箱型桅桿式結(jié)構(gòu)。伸縮井架的最大行程為7.5m。伸縮井架在縮回狀態(tài)下，總長度為13.5 m，便利車輛運(yùn)輸。在完全伸出狀態(tài)下，總長度可達(dá)21 m，頂驅(qū)動力頭最大行程為15 m，可很方便的使用長度為15m以下的套管。 桅桿底部有伸縮腿，可將提升負(fù)荷直接作用于地面。井架的起落和伸縮都由液壓油缸完成。為滿足井架能90°起落并適應(yīng)空間限制，起落油缸采用了兩級伸縮技術(shù)。

2.4液壓系統(tǒng)

為滿足靈活、高效的瓦斯地面抽采孔鉆孔需要，鉆機(jī)要集各種功能和動作于一身，很多執(zhí)行元件離動力源很遠(yuǎn)，因此整機(jī)采用了液壓和機(jī)械聯(lián)合驅(qū)動技術(shù)。液壓系統(tǒng)作為鉆機(jī)的主要傳動和控制系統(tǒng)，要完成三十多個執(zhí)行元件和四十余種動作，而且這些元件和動作有的要獨(dú)立運(yùn)行，有的要聯(lián)合動作，同時又不能相互影響或干擾。為此，液壓系統(tǒng)采用了目前液壓傳動和控制中先進(jìn)的變量系統(tǒng)和負(fù)載傳感比例控制技術(shù)。同時，為滿足各種工況和適應(yīng)各元件對壓力和流量的要求，還采用了多泵合流技術(shù)。液壓系統(tǒng)冷卻器采用了恒溫控制技術(shù)。液壓操作閥及各種儀表集中在操作控制臺上，對各執(zhí)行元件（液壓馬達(dá)，油缸）的速度、方向和壓力實現(xiàn)有效地控制。

2.5車裝底盤和動力裝置

車裝技術(shù)也是本項目的重要研究內(nèi)容之一。鉆機(jī)的載車底盤既要適用于瓦斯鉆孔野外施工的道路條件，又要滿足鉆機(jī)的載荷要求。目前，國外鉆機(jī)既有采用專用底盤的，也有采用通用汽車底盤的。根據(jù)鉆機(jī)方案設(shè)計中對工作穩(wěn)定性和載荷分布要求及野外施工條件、運(yùn)輸尺寸的限制等綜合因素的分析，最終選擇了選用了專用汽車底盤。

動力裝置是整個鉆機(jī)的核心，鉆機(jī)的動力有獨(dú)立的柴油發(fā)動機(jī)提供，由于鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)采用了多泵驅(qū)動方式，所以必須設(shè)計分動箱。由于整體結(jié)構(gòu)限制，分動箱要求緊湊，一進(jìn)多出驅(qū)動多個油泵，因此把八個油泵進(jìn)行合理組合成三組分別安裝在傳動箱輸出端。由于結(jié)構(gòu)緊湊傳動件多，轉(zhuǎn)速又高，為了防止過熱，分動箱采用了噴淋式強(qiáng)制潤滑技術(shù)。

2.6電控系統(tǒng)的研制

電控系統(tǒng)主要完成對電噴發(fā)動機(jī)的控制。電噴柴油噴射系統(tǒng)由傳感器、電子控制單元（ECU）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。實現(xiàn)對噴油量以及噴油定時隨運(yùn)行工況的實時控制。并將檢測到的轉(zhuǎn)速、油門旋鈕位置、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻水溫、機(jī)油壓力、燃油溫度、燃油壓力、冷卻水溫度等參數(shù)同時輸入ECU，進(jìn)行分析記算，按照最佳值或計算后的目標(biāo)值把指令送到執(zhí)行器。執(zhí)行器根據(jù)ECU指令控制噴油量、控制噴油壓力、噴油時間同時對廢氣再循環(huán)閥、預(yù)熱塞等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，使柴油機(jī)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。并將檢測的一些參數(shù)及故障信息傳送到總表顯示報警。

3.試驗及應(yīng)用推廣情況

3.1試驗情況

2008年9月，SMJ5510鉆機(jī)車在晉城工業(yè)區(qū)煤層氣開發(fā)井進(jìn)行工業(yè)性試驗。該井設(shè)計井深1450米，其中：一開井深60m，孔徑φ311.15mm；二開孔徑φ215.9mm，潛空錘沖擊鉆進(jìn)至570m后改用螺桿馬達(dá)進(jìn)行造斜定向鉆進(jìn)至1460m。鉆進(jìn)從9月15日開始，到完井歷時半個月。施工過程順利，成本低，效率高，鉆井周期縮短10天左右。試驗表明鉆機(jī)車各項性能指標(biāo)均能滿足地面煤層氣抽采孔施工的要求。

3.2推廣情況

河南省焦作市神龍水文地質(zhì)工程公司使用該鉆機(jī)車在焦作煤業(yè)集團(tuán)進(jìn)行煤礦輸漿孔施工，共鉆23個孔（孔徑φ311mm），累計進(jìn)尺12655m，平均單孔鉆深550m，平均鉆速10m/h，最快可達(dá)1m/min。

黑龍江煤田地質(zhì)局204隊使用該鉆機(jī)車在七臺河勃利縣參與了恒泰煤礦8.23透水事故的搶險救援，充分體現(xiàn)了其快速響應(yīng)的能力。

截止到目前為止，SMJ5510鉆機(jī)車還在內(nèi)蒙古地質(zhì)工程有限責(zé)任公司、河北煤田地質(zhì)局、黑龍江煤田地質(zhì)局108隊、新疆煤炭地質(zhì)局、西安煤科院等單位成功推廣使用。

4.結(jié)論

SMJ5510TZJ15/800Y地面瓦斯抽采的欠平衡車載鉆機(jī)通過試驗和推廣表明：其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過國外同類鉆機(jī)，整機(jī)性能達(dá)到國外同類鉆機(jī)的先進(jìn)水平，使我國的煤礦地面瓦斯抽采鉆機(jī)技術(shù)達(dá)到國際水平，從而滿足國內(nèi)煤層氣開發(fā)的需要，促進(jìn)我國煤礦瓦斯地面抽采的商業(yè)化進(jìn)程和煤層氣開發(fā)的產(chǎn)業(yè)化速度。

5.參考文獻(xiàn)：

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